金絲引線鍵合的影響因素探究

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劉鳳華

中電科思儀科技股份有限公司

摘要：

鍵合對設(shè)備性能和人員技能的要求極高，屬于關(guān)鍵控制工序，鍵合質(zhì)量的好壞直接影響電路的可靠性。工藝人員需對鍵合的影響因素進行整體把控，有針對性地控制好各個關(guān)鍵點，提升產(chǎn)品鍵合的質(zhì)量和可靠性。通過對金絲引線鍵合整個生產(chǎn)過程的全面深入研究，分析了鍵合設(shè)備調(diào)試、劈刀選型、超聲、溫度、壓力、劈刀清洗和產(chǎn)品的可鍵合性 7 個主要影響因素，并且通過實際經(jīng)驗針對各個影響因素給出了合理的改善建議。

1?研究背景

金絲引線鍵合始于1957年，是應(yīng)用時間最早、應(yīng)用范圍最廣的鍵合方式之一[1] 。金絲引線鍵合分為球焊和楔焊兩種。球焊的難度較低，拉線靈活，適合鍵合高度差和線長變化大的產(chǎn)品，由于球點的存在，弧高無法做得足夠低，對應(yīng)的電路指標也會降低，適合低頻電路，一般用于直流偏置線和接地線的鍵合。楔焊的焊點小且弧高可以對稱漸變地控制在 75 μm 以內(nèi)，電路指標特性好，一般應(yīng)用于通路的電路互連。

鍵合的本質(zhì)是兩種材料之間形成原子間的相互融合和可靠連接。想要實現(xiàn)兩種材料原子間的相互融合連接，需要增加額外的能量驅(qū)動，從而使得兩種材料之間形成鍵合形成層。

如圖 1 所示，經(jīng)過超聲熱壓的鍵合作用，材料 1和材料 2 在接觸面形成了牢固的鍵合形成層，從而可靠地連接在一起。鍵合點的拉力測試和剪切力測試也是為了測試鍵合形成層的強度，如何保證鍵合形成層的可靠性是金絲引線鍵合技術(shù)的關(guān)鍵。

2?金絲引線鍵合的影響因素探究

對整個鍵合過程進行研究分析，金絲引線鍵合有 7 個主要影響因素：鍵合設(shè)備調(diào)試、劈刀選型、超聲、溫度、壓力、劈刀清洗和產(chǎn)品的可鍵合性。

2.1 鍵合設(shè)備調(diào)試

手動球焊機調(diào)試的關(guān)鍵點是打火桿與劈刀的間距、尾絲長度、打火電流和打火時間。打火桿與劈刀的間距應(yīng)在1 mm左右，間距過大會導致送絲參數(shù)和打火參數(shù)的數(shù)值設(shè)置偏大，鍵合過程中的不穩(wěn)定性增加。尾絲長度應(yīng)合適，太小會導致球點偏小、送絲不穩(wěn)定，太大會使金絲碰觸打火桿導致打火失敗。打火電流和打火時間應(yīng)有合適的區(qū)間，太小會導致球點偏小、球不成型，太大會導致球點偏大、根部傷線。類似于Westbond 機型的鍵合機通過凸輪帶動線夾的機械往復運動進行送絲，會存在凸輪復位點偏移導致送絲量變化的問題。針對這一問題，可以在凸輪上畫線標記復位點，如果出現(xiàn)復位點偏移可以手動進行恢復。

自動球焊機對送絲的要求更高，其通過氣控送線和真空回吸的共同作用進行線控，設(shè)備整體輸入氣壓不能太大，太大會導致整體線控不穩(wěn)定，同時回吸真空量設(shè)置應(yīng)合適，能夠始終使金絲在鍵合過程中呈現(xiàn)直線送絲狀態(tài)。

楔焊機調(diào)試最重要的是劈刀的垂直度調(diào)試和斷絲參數(shù)的設(shè)置。楔焊難度大，對劈刀垂直度的要求極高，如果劈刀鍵合面與產(chǎn)品被鍵合面之間接觸不充分，會嚴重影響鍵合效果。斷絲參數(shù)的設(shè)置應(yīng)以盡量形成最完整的焊點，同時又不會導致第二焊點后異常斷線和跳線為宜。

2.2 劈刀選型

球焊一般選用陶瓷劈刀，劈刀選型的關(guān)鍵是劈刀前端的形狀。如圖 2 所示，球焊劈刀根據(jù)前端的形狀變化分為很多種。對于鍵合效果來說，劈刀前端的整體形狀變化越劇烈，鍵合穩(wěn)定性越差。因此，沒有深腔近壁鍵合需求的產(chǎn)品可首選常規(guī)款的劈刀。

楔焊劈刀根據(jù)材料的不同也分為多種：硬金屬陶瓷劈刀、軟金屬陶瓷劈刀、碳化鈦劈刀、碳化鎢劈刀及其他類合金鋼劈刀。不同材質(zhì)的劈刀鍵合特性也不同，工藝人員需要根據(jù)自身產(chǎn)品有針對性地進行選型。一般來說硬金屬陶瓷劈刀耐臟、耐磨，但是鍵合效果差，適合可鍵合性高的產(chǎn)品；碳化鈦和碳化鎢劈刀性能相對均衡，適合大多數(shù)產(chǎn)品；其他類合金鋼劈刀根據(jù)材料的不同會有各自不同的鍵合特性。工藝人員需要以產(chǎn)品的實際鍵合效果為選型依據(jù)，選擇最適合自身產(chǎn)品的劈刀。如果自身產(chǎn)品的可鍵合性差，可以嘗試采用某些特殊材質(zhì)的劈

刀。例如，深圳市海志億半導體工具有限公司生產(chǎn)的一款國產(chǎn)合金鋼劈刀，在應(yīng)對某些可鍵合性差的鍍層時，其鍵合適配特性就表現(xiàn)得非常優(yōu)異。

2.3 超聲對鍵合的影響

鍵合設(shè)備最核心的部分是超聲功能，包括超聲觸發(fā)和超聲傳遞。

如圖 3 所示，超聲板中進行特定頻率電壓的發(fā)生與轉(zhuǎn)化，最終形成交流電壓作用到壓電陶瓷換能器；壓電陶瓷換能器經(jīng)過交流電壓的激勵后，會根據(jù)電壓幅度的變化產(chǎn)生前后的伸縮振動；前后的伸縮振動再通過劈刀作用到鍵合面，從而實現(xiàn)超聲能量的傳遞，過程中能量的轉(zhuǎn)化是電能轉(zhuǎn)化為機械能[2] 。

鍵合機的超聲發(fā)生器一般分為 3 種：65 kHz 的低頻超聲發(fā)生器、110 kHz 的高頻超聲發(fā)生器和自動楔焊機用的 140 kHz 超聲發(fā)生器，不同頻率的超聲發(fā)生器匹配不同的換

能器。頻率低的鍵合機通用廣泛性更高、穩(wěn)定性更強，指標窗口范圍更廣；頻率越高的鍵合機指標窗口范圍越窄，需要更強的阻抗匹配、劈刀選型和機械調(diào)試。

對于球焊來說，低頻鍵合機在針對一些特殊的長柱狀結(jié)構(gòu)面的鍵合時，存在超聲損耗的問題，需要采用高頻的球焊機進行解決。除特殊情況外，球焊和楔焊都應(yīng)在滿足自身產(chǎn)品鍵合要求的情況下，盡量選擇低頻鍵合機，以降低使用難度。

2.4 溫度對鍵合的影響

溫度是金絲引線鍵合過程中重要的外加能量驅(qū)動，特別是對楔焊來說，鍵合機環(huán)形加熱絲可以加熱軟化金絲，加熱臺可以加熱活化產(chǎn)品鍵合面，均有利于產(chǎn)品的鍵合。需要注意的是，鍵合機加熱絲的溫度設(shè)置不能太高，太高會影響換能器的性能，而且加熱絲不能碰觸劈刀，否則將會影響超聲的鍵合作用。

加熱臺的溫度設(shè)置需要根據(jù)產(chǎn)品內(nèi)部實際情況、錫焊的耐受溫度以及各種器件的耐受溫度等進行綜合考量，在楔焊過程中盡量提高鍵合溫度。此外，加熱臺需要定期進行測試，當顯示溫度和實際測試溫度差異較大時，需要進行溫度補償校準。

2.5 壓力對鍵合的影響

壓力在鍵合過程中用于將劈刀的超聲能量、加熱絲和加熱臺熱能進行綜合驅(qū)動。影響壓力效果的因素有機械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和劈刀垂直度兩個方面。如果是單純采用機械彈簧進行手動調(diào)節(jié)壓力，則應(yīng)定期檢查壓力的穩(wěn)定性和準確性；如果是電子校準的壓力系統(tǒng)則須通過鍵合前的壓力校準進行確認。另外，鍵合壓力與鍵合超聲功率之間有合適的匹配區(qū)間，并不是固定

不變的。鍵合壓力過大會影響超聲的運動，鍵合壓力過小會導致超聲作用不穩(wěn)定，因此，工藝人員需要根據(jù)劈刀特性和最終的鍵合點情況綜合考量設(shè)置合適的鍵合壓力。在實際運用中經(jīng)常犯的錯誤就是針對所有劈刀采用同樣的固定鍵合壓力，在鍵合過程中只是調(diào)節(jié)鍵合功率和鍵合時間的大小，此方法明顯未考慮到不同材質(zhì)的劈刀具有不同的鍵合特性。

鍵合過程中一定要保證劈刀的前端鍵合面與產(chǎn)品的被鍵合面充分接觸、摩擦，以充分進行超聲能量的傳遞。實際操作過程中可以在實驗板上進行不穿線的空打，調(diào)節(jié)鍵合功率的大小并觀察鍵合印跡的變化，如果鍵合印跡與劈刀端面的形狀不相符，則判定劈刀垂直度有問題。

如圖 4 所示，鍵合時的劈刀垂直度不良，會影響焊點的形狀和可靠性。如果是設(shè)備的機械軸垂直度不良，可以用直角規(guī)進行換能器垂直度的調(diào)節(jié)；如果是劈刀本身的原因，則應(yīng)更換合格的劈刀。經(jīng)過實際經(jīng)驗驗證，采購的劈刀會有一定比例存在垂直度不良的問題，工藝人員可以根據(jù)實際情況，對采購的劈刀進行入庫前的檢驗篩選。

2.6 劈刀清洗

楔焊劈刀和球焊劈刀在使用一定時間后，前端鍵合面均會出現(xiàn)污染物和氧化膜層，在顯微鏡下觀察表現(xiàn)為發(fā)黑、發(fā)灰。

如圖 5 所示，球焊劈刀在使用一段時間后前端鍵合面粘污嚴重，進行清洗后又恢復到干凈的狀態(tài)。劈刀鍵合面出現(xiàn)污染物和氧化膜層會導致鍵合過程中抓線不牢，劈刀與線的相對滑動增大，有效作用到焊點上的超聲能量減少，可能會出現(xiàn)打不上、打不牢、焊點不全等各種異?，F(xiàn)象。對于楔焊來說這一問題則更加明顯，劈刀粘污嚴重會直接導致無法鍵合。因此，劈刀使用一段時間后需要根據(jù)實際情況采用專門的劈刀清洗液進行清洗。劈刀清洗液分為堿性和酸性兩種，目的都是去除劈刀鍵合面的污染物和氧化膜層。應(yīng)根據(jù)劈刀的材質(zhì)選擇合適的清洗方法，清洗不當可能會導致劈刀腐蝕。另外，劈刀有使用壽命限制，如果在顯微鏡下觀察到劈刀端面磨損嚴重，則應(yīng)及時做廢棄處理，磨損嚴重的劈刀不能反復清洗使用。

2.7 提升產(chǎn)品的可鍵合性

產(chǎn)品的可鍵合性主要體現(xiàn)在鍍層的加工控制、組裝過程中的鍍層污染控制、鍵合前的等離子清洗3 個方面。

鍍層的加工控制是提升可鍵合性最關(guān)鍵的措施：合適的電鍍電流可以保證鍵合時鍍層表面的附著力；合適的鍍層厚度可以改善鍵合的指標；純凈單一的電鍍槽環(huán)境可以改善鍍層的軟硬度，防止出現(xiàn)多種離子的電鍍污染，使鍍層光滑堅硬。當然，對整個電鍍過程進行完全有效的控制非常困難，產(chǎn)品鍍層難免會出現(xiàn)批次性的波動，因此對電鍍產(chǎn)出品及時進行有效的可鍵合性測試跟蹤非常有必要。

鍍層在組裝過程中需要經(jīng)歷焊接、膠粘、高溫固化等各種工藝。其中，在控制組裝過程中防止鍍層表面的污染非常重要，需要根據(jù)各自的產(chǎn)品特點對組裝過程加以控制。焊接完成后應(yīng)有效清除鍍層表面的松香等污染物，以及在膠粘過程中控制膠水印的污染。此外，在高溫固化過程中選擇厭氧潔凈型烘箱，可減少鍍層在高溫下的氧化污染。

鍵合前的等離子清洗可以提高鍵合點的黏接力，增強鍵合可靠性。等離子清洗機一般有中頻等離子清洗機和射頻等離子清洗機兩種。中頻等離子清洗機單顆離子的能量大，整體密度低，更適合宏觀的粗洗；射頻等離子清洗機單顆離子的能量和整體密度都相對適中，更適合微觀的改性清洗，一般應(yīng)用于鍵合前鍍層表面的清洗。

另外，也要重視鍵合金絲的存儲，建議采用專用的氮氣柜進行厭氧干燥環(huán)境下的密封保存。產(chǎn)品的可鍵合性提升屬于微觀概念，涉及的范圍非常廣，任何細小環(huán)節(jié)的改善都會對產(chǎn)品的可鍵合性起到提升效果。如果所有前端的過程均不加以有效控制，全部累積到最后的鍵合工序，那么鍵合難度會非常大，問題會難以解決。

3?鍵合生產(chǎn)過程中的管理問題

鍵合要求高，難度大，屬于關(guān)鍵控制工序，鍵合生產(chǎn)過程中的管理問題同樣需要引起高度重視，主要體現(xiàn)在以下 4 個方面。

（1）冗長繁雜的過程記錄。一味追求書面的嚴謹性將導致實際生產(chǎn)過程很難操作，書面的過程記錄時間占比太大，在最終操作層面得到的結(jié)果往往是失真的。

（2）操作人員缺乏對鍵合本質(zhì)和鍵合設(shè)備原理的基礎(chǔ)認知。雖然實際生產(chǎn)過程受制于追求人員低成本和產(chǎn)品趕進度等現(xiàn)實要求，但是想辦法提高操作員對于鍵合本質(zhì)和鍵合設(shè)備原理的基礎(chǔ)認知水平也有較高收益率，可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量水平和正向激勵操作效率。

（3）鍵合設(shè)備混用?；诂F(xiàn)實考量，鍵合設(shè)備往往是多人混用，很容易造成鍵合設(shè)備管理的混亂和失控，因此應(yīng)設(shè)立鍵合設(shè)備專人專用制度。

（4）鍵合質(zhì)量問題的處理措施。鍵合出問題可能是多個方面導致的，不進行充分的分析和預防措施的改進，而只是一味地處罰操作人員或者是重復進行產(chǎn)品返工，往往會導致操作人員發(fā)現(xiàn)問題后擔心被處罰或者增加個人工作量而不敢上報，最終導致很多隱性質(zhì)量問題的發(fā)生。

鍵合生產(chǎn)過程中的管理問題最容易被忽視，隱秘性更強，對鍵合生產(chǎn)的實際影響也較大。相較于管理人員單純催生產(chǎn)進度的模式，采用鍵合綜合能力強的人員進行專管的有效性會更強。

4?結(jié)論

金絲引線鍵合已經(jīng)深入應(yīng)用到電子組裝類的各個行業(yè)，由金絲引線鍵合作為基礎(chǔ)，又延伸出了金帶鍵合、鋁絲鍵合和銅絲鍵合等多種方式[3] 。鍵合效果的影響因素眾多，在實際運用過程中不能有思維定式，如果簡單直接地引用國外或者其他單位的相關(guān)工藝，很可能會存在不適用的情況。工藝人員需要以各自的實際情況為出發(fā)點，從細節(jié)上進行全面的分析處理。在半導體產(chǎn)業(yè)鏈國產(chǎn)化的趨勢下，建議工藝人員優(yōu)先選擇國產(chǎn)相關(guān)鍵合設(shè)備與國產(chǎn)相關(guān)耗材，并在國產(chǎn)技術(shù)支持下，探尋更加有利于自身鍵合工藝研究和發(fā)展的道路。

審核編輯 黃宇